基于高压水力压裂技术的综放工作面坚硬顶板控制.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月放顶煤开采工艺下坚硬顶板的垮落控制一直是煤矿安全开采的焦点1-2。强度大的岩体在工作面回采后形成大面积的悬顶，如果不加以人工干预，悬顶整体垮落将形成强大的应力冲击。冲击波不仅造成矿压显现明显，还会引发冒顶事故3-4。放顶煤开采时，这一现象更加明显。因此，采用不同的干预手段实现顶板垮落是保证工作面回采工作顺利进行的基础5-6。目前，已发展形成多种类型的坚硬顶板控制技术。根据矿井实际地质条件选择合理的技术手段可降低施工成本，良好的卸压效果也是生产最为看重的。本研究基于高压水力压裂技术，对布尔台煤矿综放工作面坚硬顶板进行控制，取得了良好的应用效果。1工程概况布尔台煤矿 301 综放工作面为三盘区首采工作面，整个工作面回采长度达到 4 998.2 m，宽度 300 m。301综放工作面开切眼距离辅运顺槽正帮 8.545.2 m 范围内揭露冲刷带，301 辅运顺槽距离工作面开切眼 14.746.4 m 范围内揭露冲刷带，切眼正帮最大割岩量 3.0 m，辅运顺槽正帮割岩最厚 1.9 m。工作面顶板为软弱泥岩，直接底和老顶均为岩性完整、硬度较大的砂岩。根据以往开采经验，如果对坚硬顶板不采取干预措施，会造成来压强度大、来压周期长的问题。借鉴矿井其他综放工作面的开采经验，多次来压期间如果液压支架选型不适配，巷道支护措施不到位，将造成离层、片帮以及支架倾倒现象的发生。多次来压期间，初次来压强度最大，破坏范围最广。如果初期来压强度得到有效控制，则后期回采工作的安全性将得到有效保障。为此，需要对 301 综放工作面坚硬顶板采取合适的技术手段进行人工干预，将初次来压强度监测作为顶板控制效果以及巷道稳定性分析的依据，探究技术手段的合理性。2高压水力压裂技术工程上覆岩层坚硬顶板煤层占比大，在工作面回采期间更容易发生冲击地压事故，造成工作面的停产。坚硬顶板具有自身完整性好、抗压抗拉抗剪强度大、稳定性高等特点，导致其垮落时造成的矿压现象要明显于一般岩层垮落。长距离、大面积的悬顶是诱发矿压灾害的重要因素。针对坚硬顶板冲击地压的防治，目前主要采取直井压裂技术、深孔爆破技术及定向长钻孔水力压裂技术收稿日期：2022-11-12作者简介：姚士茂，1987 年生，男，江苏盐城人，主要从事矿压管理工作。基于高压水力压裂技术的综放工作面坚硬顶板控制姚士茂（国能神东煤炭布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）摘要：为了预防布尔台煤矿 301 综放工作面坚硬顶板垮落引起来压强度大的问题袁 采用高压水力压裂技术袁 通过在不同区域布置定向长钻孔尧 浅孔及大直径卸压钻孔的方式袁 对坚硬顶板实施干预袁 并进行相应的矿压监测袁 发现初次来压强度降低袁 来压期间支架最大下沉量仅有 400 mm袁 巷道以及锚杆受力均较小袁 工作面及巷道处于稳定状态袁 证明了该技术的可行性与优良性遥关键词：综放工作面曰 坚硬顶板曰 高压水力压裂曰 矿压监测中图分类号：TD327.2文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0098-03Hard Roof Control of Fully Mechanized Caving Face Based on High-pressureHydraulic Fracturing TechnologyYAO Shimao(Buertai Coal Mine,CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos 017000,Inner Mongolia,China)Abstract:In order to prevent the collapse of the hard roof in the 301 fully mechanized caving face of Buertai Coal Mine fromcausing the problem of large weighting strength,high-pressure hydraulic fracturing technology was used to intervene the hard roofby arranging directional long holes,shallow holes and large-diameter pressure relief holes in different areas,and mine pressuremonitoring was carried out accordingly.It was found that the initial weighting strength was reduced,the maximum supportsubsidence during weighting was only 400 mm,and the stress on the roadway and anchor bolt was small,the working face and theroadway were in a stable state,which can prove the feasibility and excellence of the technology.Key words:fully mechanized caving face;hard roof;high-pressure hydraulic fracturing;mine pressure monitoring（总第 216 期）技术研究982023 年第 9 期2023 年 9 月等。直井压裂技术工程实施范围大，可以人为破坏坚硬顶板的完整性，降低岩石的弹性能，有效释放弹性能；深孔爆破技术则是直接切断顶板区域，破坏高应力的传输路径，避免了应力集中现象的发生，但是无法实现全区段的爆破，需要逐区域实施爆破才能缓解动载的影响。这 2 种技术往往需要根据实际地质条件实施，适用于煤层产状稳定的条件，造价比较高，适用性弱。定向长钻孔水力压裂技术既可以实现瓦斯的抽采，也可以降低顶板坚硬岩层的强度，释放弹性能的同时，适用范围广，成本低，因此逐渐被矿井广泛采用。2.1定向长钻孔水力压裂布尔台煤矿 301 综放工作面老顶为硬度大、完整性好的砂岩，岩层裂隙发育不完全，厚度大，承载能力强。为了保证工作面回采时顶板可以有序垮落，及时填充采空区，降低来压强度，矿井采用定向长钻孔水力压裂技术管理砂岩坚硬顶板，以防止顶板事故的发生。工作面定向长钻孔水力压裂设计平面图如图 1 所示。S长度 37 m、仰角 35毅钻孔；L长度 40 m、仰角 15毅钻孔；J长度 28 m、仰角 55毅钻孔。图 1工作面定向长钻孔及浅孔水力压裂设计平面图由图 1 可看出，共布置 4 个定向长钻孔，均用于控制砂岩坚硬顶板。其中，1#及 2#定向长钻孔与开切眼的距离均为 697 m，3#及 4#定向长钻孔与开切眼的距离均为 1 155 m，钻孔直径均为 120 mm。考虑到钻孔位置的差异，各个钻孔长度不同，1#钻孔长度 760 m，2#钻孔长度 815 m，3#钻孔长度 504 m，4#钻孔长度596 m。实际工程中，岩性厚度及完整性有所变化，因此钻孔的压裂量也有差异，1#钻孔压裂 18 段，2#钻孔压裂 19 段，3#钻孔压裂 10 段，4#钻孔压裂 13 段。2.2浅孔水力压裂综放工作面的稳定是所有后续工作的基础。工作面附近因为放顶煤，往往容易出现应力集中的问题。为了避免回采期间来压强度过高，需对工作面采取浅孔水力压裂技术，设计平面图如图 1 所示。根据钻孔长度的不同，将钻孔组分别分为 L 组、S 组、J 组。其中，L 组共钻进 16 个钻孔，每个钻孔的长度均为 40 m，钻孔仰角为 15毅；S 组共钻进 15 个钻孔，每个钻孔的长度均为 37 m，钻孔仰角为 35毅；J 组共钻进 12 个钻孔，每个钻孔的长度均为 28 m，钻孔仰角为 55毅。浅孔水力压裂累计进尺 1 531 m。钻孔施工参数如表 1 所示。2.3大直径卸压钻孔为了降低首采 301 综放工作面所处盘区的应力集中，对巷道存在安全隐患的区域进行大直径卸压钻孔，主要对主运顺槽以及辅运顺槽区域内的煤体进行施工，施工角度控制在 0毅3毅。主运顺槽钻孔深度为 10 m，辅运顺槽钻孔深度为 20 m，施工离地平均高度均为1.6 m。大直径卸压钻孔的主要目的是人为干预煤体的受力，降低煤体受力集中程度，使不稳定煤体向稳定破坏的方向发展，进而减小了巷道的变形，以确保工作面的稳定。大直径卸压钻孔参数如表 2 所示。表 1浅孔水力压裂钻孔施工参数表表 2大直径卸压钻孔参数表3综放工作面矿压监测3.1支架下沉量变化规律301 综放工作面回采初次来压最大值为 49.8 MPa，来压时工作面机头推进 29 m，机尾推进 33.8 m。来压范围内支架的最大下沉量出现 2 个峰值，分别为 400 mm，365 mm，无下沉量支架占总支架的 12。支架平均下沉量为 128 mm，下沉量小，支架支护强度满足开采条件。钻孔名称钻孔长度/m仰角/(毅)钻孔数量/个 累计进尺/mL 组钻孔4015161 531S 组钻孔373515J 组钻孔285512钻孔施工位置孔深/m角度/(毅)离地高度/m主运顺槽100 耀 31.5 耀 1.7辅运顺槽200 耀 31.5 耀 1.7浅孔水力压裂设计区域1#定向长钻孔2#定向长钻孔3#定向长钻孔4#定向长钻孔301 辅运顺槽301 综放工作面301 主运顺槽302 辅运顺槽姚士茂：基于高压水力压裂技术的综放工作面坚硬顶板控制992023 年第 9 期2023 年 9 月3.2初采工作面矿压规律监测初采期间工作面矿压规律，监测区域位于 301综放工作面辅运顺槽，距离开切眼 50 m。共布置 3 组应力计，埋深分别为 7 m，9 m，11 m，监测老顶初期来压期间巷道受力变化规律，绘制成如图 2 所示的辅运顺槽应力监测变化曲线。图 2辅运顺槽应力监测变化曲线由图 2 可看出，埋深 7 m 的应力计监测数值变化范围最小，最大应力值为 4.68 MPa，随着与工作面距离的增大，应力计监测数值逐渐减小，距离工作面 15 m 开始，应力计监测数值趋于稳定，最小应力值为 4.25 MPa；埋深 9 m 的应力计监测数值变化范围最大，最大应力值为 7.50 MPa，距工作面 50 m 范围时应力值趋于稳定，最小应力值约 5.00 MPa，变化范围约 2.50 MPa；埋深11 m 的应力计监测数值变化范围为 1.16 MPa，最大应力值为 5.50 MPa，距离工作面 50 m 后应力计监测数值趋于稳定。3.3锚杆受力变化规律同样对 301 综放工作面辅运顺槽的锚杆受力状态进行监测，绘制成如图 3 所示的辅运顺槽锚杆受力变化曲线。由图 3 可看出，锚杆受力的整体变化范围较小；埋深 9 m 时，锚杆最大受力数值为 4.80 MPa，距工作面10 m 以后稳定在 4.70 MPa，变化幅度 0.01 MPa；埋深11 m 时，锚杆最大受力数值为 5.10 MPa，距工作面 15 m以后稳定在 4.90 MPa，变化幅度 0.20 MPa。综合分析，基于高压水力压裂技术的综放工作面坚硬顶板控制，支架下沉量小，巷道整体受力小，巷道变化幅度、锚杆受力基本处于稳定状态，有效解决了顶板初次来压强度大的问题，巷道稳定性得到提高。4结论1)基于高压水力压裂技术，在 301 综放工作面共布置 4 个定向长钻孔、43 个浅孔、大直径卸压钻孔，人为干预坚硬顶板的垮落。2)综放工作面矿压规律显示：顶板初次来压期间支架最大下沉量为 400 mm，辅运顺槽最大应力变化幅度约为 2.50 MPa，最大应力值为 7.50 MPa，变形量小，巷道处于稳定状态。3)辅运顺槽锚杆受力状态监测结果显示，锚杆整体受力处于稳定状态，表明放顶煤开采期间坚硬顶板有序垮落，围岩未出现应力集中现象。参考文献：1 姚俊彪，张大明，李刚.坚硬顶板综放工作面水力压裂初次放顶技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40(9)：54-57.2 张伟.王坡煤业坚硬顶板长水平孔水力压裂卸压技术应用J/OL.山东煤炭科技，2022，40(9)：12-14 2022-11-10.https：/ 范江涛，李志强.沿空巷道坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究 J.能源技术与管理，2022，47(4)：77-79.4 任兵兵.150503 综放工作面矿压观测及巷道维护分析 J.能源与节能，2022(5)：56-58.5 程德中.榆树坡矿 5105 综放工作面矿压显现规律探索 J/OL.江西煤炭科技，2021(4)：30-32 2022-11-10.https：/ 白刚，任杰.近距离煤层群综放工作面矿压显现规律 J/OL.煤，2022，31(9)：61-64 2022-11-10.https：/ 3辅运顺槽锚杆受力变化曲线7.57.06.56.05.55.04.54.01020304050600与工作面距离/m埋深 7 m；埋深 9 m；埋深 11 m。埋深 9 m；埋深 11 m。5.105.055.004.954.904.854.804.754.701020304050600与工作面距离/m100